在全球新一轮科技革命和产业变革加速演进的背景下，光电子芯片作为信息感知、传输与处理的重要载体，成为集成芯片领域新一轮国际竞争的要地。面对“无芯之痛”的长期制约，清华大学电子工程系黄翊东团队深耕微纳光电子领域二十余年，在基础理论、制备工艺、器件研发与产业转化上实现全链条突破，建成多材料体系微纳光电子芯片工艺平台，推动我国在光电子芯片赛道上从技术跟随者向国际引导者的角色转变。
搭建多材料体系“芯片摇篮”
微纳光电子芯片通过在微纳米尺度下精确控制不同材料的空间构建，以亚微米级结构操控光子、电子等基本粒子/准粒子的相互作用，可拓展信息感知能力、提升信息处理速度，为新一代信息技术提供了一把“新钥匙”。然而，其涉及磷化铟、砷化镓、铌酸锂等十余种材料，制备工艺复杂程度远超传统CMOS芯片，不同材料加工条件各异带来的设备参数变化、材料交互掺杂等难点使得全球长期缺乏通用加工平台。2003年，团队从零开始筹建实验室，提出“先铺路、再造车”的发展策略——首先攻克微纳结构制备的核心工艺。
图1. 黄翊东教授（中）与团队成员一起调试实验系统
团队历时十年围绕微纳结构各制备工艺的动力学过程和物理/化学反应机理展开研究，研发出一整套相关制备技术，实现深宽比45的光子晶体刻蚀（国际此前纪录38），制备出表面起伏小于1nm的纳米金属薄膜，为微型光谱仪、自由电子辐射等新功能光电子芯片奠定工艺基础。2015年，依托清华大学天津电子信息研究院，团队建成了多材料体系微纳光电子芯片工艺平台，可定制加工十几类半导体、金属及新型功能材料的微纳结构。截至2025年，该平台已为北京大学、中科院等113所高校研究所的400余个科研团队、以及154家企业提供了上万单芯片定制加工，成为我国微纳光电子领域的“芯片摇篮”。
三个“世界首款”开拓新型芯片产业
在工艺平台支撑下，黄翊东团队在自由电子辐射、实时光谱成像、声子调控等前沿领域接连突破，研制出三款具有里程碑意义的芯片。
自由电子辐射芯片：让“桌面级”自由电子光源成为可能传统自由电子光源依赖大型加速器，限制了其在太赫兹成像、深紫外探测等领域的应用。团队发现双曲超材料中电子的“无阈值切伦科夫辐射”新机理，研究磁控溅射技术制备出225nm厚度的高质量双曲超材料（由10nm金属/介质膜交替构成），首次在200μm尺寸芯片上集成电子发射源，实现光频段辐射输出。该成果得使自由电子辐射摆脱大型加速器，走向广阔应用场景成为可能，被国际同行评价为“是自由电子光源研究的里程碑”，发表于《Nature Photonics》并入选封面文章。
超光谱成像芯片：赋予设备“物质指纹”识别能力
光谱是物质的“指纹”，但传统光谱仪体积庞大，难以实现实时成像。团队提出“宽谱测量基”概念，在0.5cm?的CMOS传感器上集成数百万个微型光谱仪，单次成像可获取数百万像素点的动态光谱信息，光谱分辨率达0.5nm。依托该技术成立的“北京与光科技”获融资3.8亿元，研发出在CMOS图像传感器晶圆上直接制备巨量微型光谱仪的量产工艺，发布数款产品，推出的商用芯片已被行业龙头企业采用，应用于智能手机终端、农作物植被检测等领域，在全球率先开启了超光谱成像芯片产业。
光控声学奇异点芯片：提供高精度传感新维度声子比光子频率低多个数量级，声学奇异点将在超高灵敏度传感中具有比光学奇异点更大的优势。但声子不易操控，芯片上的声学奇异点难以实现。团队制备出臂宽250nm、长宽比180的纳米悬臂梁微腔（声学品质因子1500，国际最高），在6.22GHz高频段实现声子激射，首次观测到非厄米系统的根号阶次响应，突破传统声学传感的线性限制，展示了在超高精度传感领域的应用潜能。该成果发表后，，被美国全球科学进展发布平台以及世界科技研究资讯网PHYS.org报道。
图2. 黄翊东教授（左一）和崔开宇副教授（右二）与博士生一起进行实时光谱成像芯片的测试
培育“产学研用”复合型力量
团队数十年来，始终把人才培养贯穿始终。黄翊东是清华大学电子信息大类课程体系的主要创建人之一，编写的《固体物理基础》教材，为电子信息领域学生“量身定制”，以薛定谔方程贯穿始终，将固体物理的知识体系化、结构化，获评北京市优秀教材。团队培养了百余名毕业生，多人成为一流高校年轻的教授，活跃在创新研究的第一线；另有投身芯片产业发展的创业人才，创立了华慧芯、与光科技、光鉴科技、一径科技、海尔欣等光电芯片企业，总估值逾100亿，已成为推动我国光电芯片创新研究及产业发展的重要力量。
从微纳结构的制备工艺，到多材料体系光电子“芯片摇篮”；从实验室的前沿研究，到新功能光电子芯片的产业落地——黄翊东带领的微纳光电子芯片科研团队始终锚定原始创新，聚焦“产学研用”堵点，培育战略科技力量，在光电子芯片领域蹚出了一条自主可控的突围之路。
